低压铸造工艺设计毕业论文.docx

摘 要本文运用反重力铸造技术低压铸造来对铝合金铸件带轮的铸造工艺进行方案设计，包括分型面、浇注位置的选择、各项铸造工艺参数的确定以及浇注系统的设计。根据铸件形状较复杂的特点，在进行实验浇注时设计了两个浇注方案即两个内浇道或者一个内浇道，并同时进行调压和重力铸造浇注，以方便比较。根据实际零件建立了铸件的三维模型，并用View-cast铸造模拟软件对铝合金铸件带轮的充型过程进行了模拟计算。模拟结果显示，充型过程平稳，没有明显的液相起伏、飞溅。根据数值模拟结果并结合理论分析，铸件中没有缩孔、缩松等缺陷，铸造工艺方案和浇注工艺参数的设计合理。关键词：低压铸造；铸造工艺；实验浇注；充型过程；数值模拟AbstractIn this paper, anti-gravity casting technology, low pressure casting technology was used to complete the design of the casting of an aluminum alloy casting wheel, which include choice of Sub-surface and casting position, determining all of the parameters of the casting process, and the design of the casting system. For the complex shape of the casting, when conducting experiments was designed to use two runners and one ingate for casting in one time, and at the same time, surge and gravity casting was used to make it easier to compare. For sand shell moulding, the mode of same time freezing was generally used. Build the Three-dimensional model of the casting, then simulate and calculate the filling process of casting. Form the results, it was saw that the process was steady without apparent phase fluctuations or splash. From the result we can see that there was no defect such as shrinkage, so the design was perfect.Keywords：Low pressure die casting; casting process; experimental cast; filling process; numerical simulation.37目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 低压铸造概述11.1.1 低压铸造的工艺过程11.1.2 低压铸造的工艺特点21.1.3 低压铸造的工艺分类41.2国外低压铸造行业的发展概况51.2.1 我国低压铸造行业现状、存在的问题和发展趋势61.3 低压铸造的数值模拟81.3.1 计算机数值模拟的优点81.3.2 低压铸造与计算机数值模拟91.4 选题意义及本文的主要研究内容101.4.1 课题的意义101.4.2 课题的任务和内容11第2章 低压铸造工艺设计122.1低压铸造铸型工艺参数的选择122.1.1铸件凝固方式的选择132.1.2浇注系统的选择142.1.3浇注系统的选择152.1.4机械加工余量的选择162.2 低压铸造浇注工艺参数的选择172.2.1升液速度的确定172.2.2 充型压力和充型速度的选择172.2.3充型增压值的选择182.2.4保压增压值的选择182.2.5保压时间的确定182.2.6浇注温度的确定18第3章 实验材料、内容及过程203.1 实验材料203.2实验设备223.2.1反重力铸造设备主体223.2.2反重力铸造多功能气路控制系统243.2.3反重力铸造电控系统253.3实验过程263.3.1砂型制造263.3.2浇注前的准备303.4铸件的金相观察37第4章充型过程数值模拟384.1 View Cast的实现过程384.2充型过程的计算机模拟384.2.1前处理384.3凝固过程模拟结果及分析41结论43参考文献44致 谢45第1章 绪论1.1 低压铸造概述1.1.1 低压铸造的工艺过程低压铸造是一种特种铸造工艺，它是巴斯加原理在铸造生产中的应用。就低压铸造的工作压力而言，它是介于压力铸造和重力铸造之间的一种新的浇注工艺。在装有合金液的密封容器(坩埚)中，通入干燥的压缩空气(或者惰性气体)，作用在保持一定浇注温度的合金液面上，造成密封容器内与铸型型腔内的压力差，使合金在较低的充型压力(0.010.05MPa)作用下，沿着升液管内孔自下而上地经升液通道、铸型浇口、平稳地充入铸型中，待合金液充满型腔后，增大气压，使型腔里的合金液在较高的压力作用下结晶凝固，然后卸除密封容器内的压力，让升液管、浇道内尚未凝固的合金液依靠自身的重力回落到坩埚中，再打开铸型取出铸件。至此，即完成了一个低压浇注工艺过程。 图1.1 低压铸造的基本原理图低压铸造解决了重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充型平稳，避免气孔、夹渣，常采用底注式，因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压铸造则巧妙地利用坩埚内气压，将金属液由下而上充填铸型，在低气压下保持浇道与补缩通道合二为一，始终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性，从而解决了重力铸造中充型平稳性与补缩的矛盾，而且使铸件品质大大提高。同时，由于低压铸造有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性，所以用低压铸造的方法可以获得比一般重力铸造质量更高的铸件。而且，低压铸造所用的浇注系统比较简单，可使铸件成品率大大提高，通常可在90以上。1.1.2 低压铸造的工艺特点实践证明，低压铸造有很多优越性，归纳起来有以下几点：1) 铸件在压力作用下结晶和凝固，并能得到充分地补缩，故铸件组织致密，力学性能高。2) 低压铸造的浇注工艺参数均可人为控制。可根据铸件的不同结构和铸型的不同材料来确定。浇注时，合金液在可控的压力作用下充型，能有效地控制充型速度，使合金液充型平稳，这样可减少或避免合金液在充型时的翻腾、冲击、飞溅现象，从而减少了氧化夹渣的形成，避免或减少铸件的缺陷，提高了铸件质量，合格率一般可达90左右。3) 合金液在压力作用下充型，可以提高合金液的流动性，有利于获得轮廓清晰的铸件，它可适用于不同壁厚、不同大小和不同结构的铸件。4) 金属液利用率高。低压铸造铸型的浇注系统简单，并可减少甚至完全省去冒口，尚未凝固的金属液可流回坩埚中，减少金属的损耗，因此工艺出品率高，可达8090.5) 生产效率高，后续加工余量小，机械加工工时少。6) 低压铸造对铸型材料没有特殊的要求，凡可作为铸型的各种材料，都可以用作低压铸造的铸型材料。7) 设备简单，一次性投资少，占地面积小，易于实现机械自动化生产。有利于实现生产过程的质量控制。8) 低压铸造对合金牌号的适用范围较宽，基本上可用于各种铸造合金。不仅适用于有色合金，而且适用于铸铁、铸钢。低压铸造除了有上述特点外，同时低压铸造与其它铸造的比较，有以下特点：1低压铸造与金属型重力铸造相比：1) 低压铸造可以大大简化浇注系统，从而减少合金熔化量，提高了金属利用率。2) 低压铸造更易于实现机械自动化生产，一人可操作几台低压浇注机，生产率比金属型高23倍，而且劳动强度低，劳动条件好。3) 低压铸造的设备投资比金属型铸造稍高。2低压铸造与一般砂型铸造相比：1) 低压铸造浇包中的合金液自下而上的，从底部注入铸型，充型平稳，避免了砂型重力铸造在浇注中易于出现的氧化夹渣缺陷。因此，铸件的成品率要比砂型铸造高。2) 低压铸造是在低压下充型，又在较高的压力下结晶凝固的，铸件的组织、力学性能、气密性、耐压性能均比砂型重力铸造好。3) 低压铸造的浇注系统比砂型重力铸造简单，可以减小冒口，甚至可以不设冒H，从而简化了工艺，节省了金属液。3低压铸造与高压铸造相比：1) 低压铸造适用的合金范围广。压力铸造一般只适用于铸造性能较好的铝硅合金、锌合金及部分铜合金，而对于铝镁合金、球墨铸铁、合金铸铁、铸铜等采用压力铸造，尚存在许多技术问题。2) 压力铸造一般用于生产批量大的中小铸件，而低压铸造可适用于不同大小、不同批量的铸件。3) 压力铸造是在高速高压下充型，型腔中的气体不易全部被排除，易于产生气孔，而低压铸造的排气效果要好得多。4) 压力铸造所用铸型为金属型，其要求高，制造困难，周期长，成本高。低压铸造应用的金属模要求较低，制造容易，模具费用比高压铸造模具低。采用石墨型、壳型、砂型低压铸造，它的模具费用比压力铸造金属模费用更低。5) 低压铸造的设备比压力铸造的设备简单，设备投入低。6) 压力铸造一般用于中小型有色合金铸件，而低压铸造不仅适用于中小铸件，而且适用于大型铸件，如可浇注重达几十吨的铜合金螺旋桨。1.1.3 低压铸造的工艺分类在低压铸造过程中，按铸型种类和铸件的不同，其加压工艺的方式也有所不同，现将常用的几种浇注工艺介绍如下：1低压充型工艺低压充型工艺，是指只利用低压充型，不采用结晶增压的工艺(铸型高有冒口且不封闭)，铸件的补缩仍靠高温合金液补浇冒口来实现。通常又称敞开式低压浇注。它适用于砂型低压铸造大中型铸件,如船舶钢合金螺旋桨等。采用这种工艺应注意以下几点：1) 升液阶段，加压速度宜缓，防止合金液进入型腔时产生喷射飞溅而造成氧化夹渣。2) 充型阶段，根据铸件特点、合金液成份、浇注温度以及铸型温度等情况，适当地增大加压速度防止铸件产生冷隔和欠铸。3) 当合金液充满型腔并逐步上升到冒1:3的三分之一高度时，加压速度应减慢，以便稳定压力，迅速“切断浇口”。2稳定结晶工艺稳定结晶工艺，是指合金液在充满型腔后，即稳住压力，使铸件在此压力下结晶凝固，一直到完全凝固为止。这种稳压结晶工艺主要应用于铝合金湿砂型和金属型薄壁复杂铸件的浇注。3缓慢增压结晶工艺缓慢增压结晶工艺，是指充型结束以后，先稳压让铸件外表凝成一层硬壳；然后再增压结晶凝固的一种浇注工艺。适用于干砂型低压铸造，通常是浇注厚壁铸件，因受到铸型强度的限制，不宜立即增大结晶压力，而让铸件稳压结壳。4急速增压结晶工艺急速增压结晶工艺，是指合金液充满型腔后，迅速增压，使铸件在较高的结晶压力下凝固。这种工艺与缓慢增压结晶工艺基本上相同，所不同的是：在充型以后，没有稳定结壳过程。这种加压工艺适用于金属型低压铸造、石墨型低压铸造。主要针对于铸型散热冷却速度较快的铸件的铸造。1.2国外低压铸造行业的发展概况低压铸造法的雏形可以追溯到本世纪初，最早由英国人E.H.LAKE登记了第一个低压铸造专利，主要用于巴氏合金的铸造。1917年，法国人制定了将其用于铝合金和铜合金的计划，并首先在铝合金铸造生产中得到了推广，但当时发展缓慢。1924年在德国提出申请，但都没有形成大规模的工业生产1。低压铸造真正被推广应用是在“二战”以后，当时随着航空业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求很高的航空发动机的汽缸盖等轻合金铸件，并采用金属型低压铸造，大量生产高硅铝合金铸件。当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚效应，即因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被应用于厚大断面铸件的铸造。1950年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃的发展。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。据1989年统计，美国Park-field车轮有限公司低压铸造轮毂年产量达到250万只，日本日立金属制作所采用14台自动化低压铸造机，年产铝合金轮毂180万只。德国公司使用30台低压铸造机每年生产200万只铸铝轮毂，供应OEM市场，包括奥迪，福特，通用，奔驰和沃尔沃等名车制造商。法国雷诺公司所有汽车发动机缸盖均采用低压铸造生产,共11台低压铸机,日产5500只缸盖23。铸铝轮毂市场占有率在1981年只有4，1994年扩大到40，至2006年市场份额扩大到8045。低压铸造工艺在亚洲的日本、韩国等国家应用十分广泛，如同本的马自达、朝同铝业山口、本田技研熊本、大发龙王、雅马哈发动机、日产自动车、本田金属、爱知机械等用低压铸造生产气缸盖，光轻金属工业、九州轮毂、神户制钢、旭可锻、古河电气工业、光洋精机等用低压铸造生产铝轮毂，韩国的起亚自动车、东西机工等用低压铸造生产汽缸盖，三善工业等用低压铸造生产铝轮毂，印度尼西亚的本田技研用低压铸造生产汽缸盖，马来西亚的JRD用低压铸造生产铝轮毂等6。1.2.1 我国低压铸造行业现状、存在的问题和发展趋势我国是从50年代开始研究低压铸造的，经过半个世纪的发展，从简单件到复杂零件，从铝合金到铜合金，从有色低压铸造到黑色低压铸造，我国的低压铸造技术不断发展，同臻完善。尤其是近年来，随着中国汽车工业的飞速发展和国际间技术合作与交流的增强，如广州肇庆本田会属公司、昌河铃木公司(九江)、天津丰田公司、烟台大宇东岳动力公司、沈阳三菱以及瑞明集团等几家公司纷纷引进低压铸造工艺用于生产汽缸盖铸件。六丰机械、扶顺轮毂、秦皇岛戴卡轮毂公司和广东中南铝合金轮毂公司等用低压铸造生产铝轮毂。目前，我国已有许多科研单位如沈阳铸造研究所、中国兵器工业第五二研究所以及中国科学院金属研究所等正在从事低压铸造的研究工作，并在扩大其应用范围，尤其是对低压铸造的工艺参数和工艺控制的研究工作不断深化，设备的机械化、自动化和稳定化水平也在迅速地提高。目前国内低压铸造法在批量生产铝合金铸件上存在的问题是：浇注条件相对不稳定，影响产品质量稳定性和成品率；其次是生产效率不高，操作比较麻烦，现作如下分析：1) 设备设计与铸造工艺严重脱节 目前国产低压铸造设备大都不能保证原定铸造工艺实现和重现。最典型的是液面加压系统。低压铸造最重要的是工艺过程要靠液面加压系统来保证。诸如升液曲线一定是指保温炉内液面压力和时间曲线。但目前国内数家工厂或公司出品的液面加压系统均只能在控制柜试压筒或控制柜反馈管内实现预定加压时间参数。在保温炉坩埚液面上的实际压力时间参数就完全不是原来设定的最佳工艺参数，而且其重现性很差。造成这种现象的原因是多方面的，如坩埚内液面逐渐下降和保温炉泄漏；控制系统大多采用中间继电器过程控制，精度很差；减压阀流量太小；反馈信号直接采用气压，由于管路阻力，反馈信号失真以及控制系统对弱小反馈信号反应不敏感等等。特别是金属型薄壁铸件，一定要求液面加压系统能够急速升压，保证补缩。而目前液面加压系统大都不能满足这类工艺要求。由于液面加压系统不能保证原定最佳工艺实现和重现，造成铸件成品率下降。最明显的证据是原先低压铸造摩托车轮毂的厂家由于以上原因成品率下降后又纷纷改用金属型重力铸造。他们认为金属型重力铸造工艺简单，成品率与低压铸造相当。但就质量而言，低压铸造产品如摩托车减振筒比金属型重力铸造要好得多。2) 低压铸造件模具设计，目前国内水平一般凭经验设计，对于合金液在铸型中流动情况、散热和凝固大多是凭经验 大部分模具设计无冷却和加热系统，一般很难保证铸件各部位均能达到顺序凝固和充分补缩。且由于生产中模具各部分温度变化，使原来预定的较好的加压规范、工艺参数并不能重复保证铸件品质。关于模具内腔设计和加工。无CAD/CAM技术保证，大多数是人工操作，难于满足复杂空间和曲面形状模具要求，对于一些要求能排气又要求滑动而不漏铝的部分，其精度得不到保证。铸件尺寸精度一般在79级，表面粗糙度Ra12.56.3m。国外金属型和低压铸造件尺寸精度可达56级，表面粗糙度Ra1.6m。3) 低压铸造机零部件可靠性差 如减压阀流量小；升液管容易被侵蚀；保温套热效率低且寿命短，经常造成升液管最上端过早凝固堵塞；保温电炉仅用继电器加XCT-101动圈式温控表，电流电压冲击大，合金液温度波动大；液压泵和电磁阀质量差，经常损坏，低压铸造机中众多元件并非低压机专用，它们与整个国家工业基础和质保体系水平相关。4) 一般国产低压机上无模具快速定位和自动装夹系统，造成装夹和更换模具比较麻烦5) 模具表面涂料耐用性差 补喷涂料或更换模具既影响生产率又造成工艺不稳定性(英国FOSECO铝合金金属型涂料可达5001500型寿命)。6) 整机自动化程度低 目前大都采用手动或半自动。各工艺过程连动大多由分立的继电器和电磁阀连动，造成原来预想的比较严格的工艺参数不能令人满意。低压铸造在我国的研究和应用虽然时间不长，但发展很快，己经从生产轻金属发展到重金属，又从有色合金发展到黑色金属，铸件从小到大、从简单到复杂。低压铸造铸件所占的比重不断增加，工艺装备日趋完善，机械化、自动化水平不断提高。因此，低压铸造将展现更广阔的应用前景。如：1) 大型薄壁铝合金铸件一直是铸造界的难题，低压铸造是最佳工艺方法。据有关方面信息，美国目前可生产直径800 mm、长5 m、壁厚68 mm的巡航导弹舱体，合金材料A357。我国也将研制直径600 mm左右、高3 m、壁厚6 mm的差压铸件。2) 汽车发动机中若干铝合金零件如排气管、缸盖以及摩托车发动机缸头、缸盖和轮毂目前大量仍采用金属型重力铸造。特别是铝合金轮毂，我国起步时大部分都采用低压铸造，现在由于低压铸造成套设备不能满足工艺要求，生产率低，许多原来采用低压铸造的厂家走回头路又用金属型重力铸造法生产。但随着技术进步，包括汽车、摩托车缸头、缸盖、排气岐管和轮毂将大量采用低压铸造法生产，使铸件质量提高一个档次。3) 质量大于1000 kg以上的大型离心泵不锈钢叶轮(CF-3M,CD-4MCu)，叶片厚度薄，面积大，而轴颈断面尺寸大，铸件厚薄不均，且工作时承受应力腐蚀环境。常规砂型重力浇注时铸件中出现比较严重缩松。在腐蚀环境下寿命大大缩短。此类零件在低压铸造设备完备的前提下，采用树脂砂或石墨型低压铸造法有望铸造成组织致密、尺寸精确的优质铸件。这类铸件在核电装备中具有重要地位。1.3 低压铸造的数值模拟1.3.1 计算机数值模拟的优点铸造过程计算机模拟是改造传统铸造产业的必由之路，是当今世界各国专家学者关注的热点。近年来国内外相继开发出许多不同类型的铸造模拟软件，按发展过程可大致分为三代：第一代模拟软件只能用简单的模数计算方法模拟热流动，不能模拟某一时刻铸件特定区域温度变化；第二代模拟软件基于温度场计算，可以以时间为参数显示铸件的温度变化，但没考虑凝固过程液体流动和密度变化，也没考虑不同合金的凝固结晶特性；第三代模拟软件则考虑了温度场计算、凝固期间液体流动补缩、重量密度及合金显微组织的影响7。从目前的铸造过程模拟软件应用来看，主要是国外的软件占主要地位并且代表了计算机数值模拟的最高水平。这些软件基本可以模拟以砂型为代表常用的铸造工艺。铸造工艺过程的计算机模拟可以优化现有的生产工艺；获得可重复的产品质量，即使在原材料、工艺设备和操作者变化时也同样稳定；可以缩短设计、生产产品的周期，降低成本；实现工艺的可视化，使企业操作者和模拟工作者之间能够共同分析到最佳工艺模拟的判据标准8。通过计算机模拟可以在实际铸造前对铸件可能出现的缩孔缺陷的大小、部位和发生的时间进行有效预报，以不断改进工艺；根据温度场的分布，有效控制凝固过程，确保铸件质量。正是由于上述诸多优点，从二十世纪60年代到目前，工业发达国家如美国、英国、德国、日本、法国等的优秀冶金铸造研究人员都开展了这方面的研究，掀起了一次次高潮。我国从1978年开始数值模拟研究，虽然起步较晚，但三十多年的研究一直与铸造生产实际密切结合，形成了我国研究的特色。经过数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真已进入工程实用化阶段，铸造生产正在从只凭经验走向由科学理论指导的道路。铸造充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷发生的位置、时间及其大小进行预测，在浇注前采取辅助措施，确保铸件的质量，缩短试制周期，降低生产成本9-10。1.3.2 低压铸造与计算机数值模拟计算机模拟是用计算机程序替代实物行对铸件作模拟实验，要得到优质铸件，事先要做一个该铸件的模型，然后对该模型铸造过程模拟，再对铸造工艺设计进行修改。用计算机进行模拟实验，可以缩短周期，降低成本，并且还可以优化工艺设计提高铸件质量。因此，计算机模拟是铸造行业的一个重要手段。铸造充型，凝固过程的流场、温度场数值模拟技术日趋成熟，目前己经进入实用阶段，一些著名的商品化软件包相继开发出低压铸造充型过程流场模拟功能。在国外主要的有：德国Magma公司的MAGMASOFT软件、美国UES公司的Procast软件、法国AP公司的SMULOR、日本小松制作所的Soldia以及韩国的Anycasting公司开发的AnyCastingTM，这些软件己经在国内外市场上具有一定的份额，在铸造领域分析铸造缺陷、预测铸件质量、优化铸造工艺方面发挥着重要的作用。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。国内在流场基础理论研究上基本上可以跟上世界先进水平，在数学模型的选择、数值计算方法的改进及实际生产应用等方面已取得许多研究成果，但在软件开发和实际应用方面与发达国家相比还有较大的差距，现在国内的商品化软件包主要有清华大学开发的FTStar和华中理工大学开发的SCS软件及华北工学院铸造工程研究中心开发的CASTSoft软件，但是与国外的相比还存在不小的差距。1.4 选题意义及本文的主要研究内容1.4.1 课题的意义近二十年来，世界汽车工业面临着越来越严峻的三大问题，即能源、公害和安全。汽车技术的发展主要是围绕着这三大问题进行的，各国政府也先后制订了能源保护、废气排放、降低噪音和安全保障的法规。其中能源问题最为突出，节能成为汽车工业发展的核心问题。因此近年来世界各大主要汽车公司从争夺汽车市场的战略考虑，在注意外形美观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能源需求的紧张状况，减轻环境污染，降低综合费用，这是现代世界汽车工业的发展趋势。在各种降低油耗的措施中，把实现汽车轻量化，即减轻汽车的自重作为首选措施。汽车的许多问题，如操作性、排气净化、腐蚀等都与轻量化有关，但汽车轻量化的主要作用是节能。影响汽车燃油经济性的因素很多，如提高发动机和传动系统的效率，降低滚动阻力、空气阻力等，但最重要的是汽车的轻量化。铝合金带轮由于其质量轻、减震性能好等优点，在现代汽车制造中正取代传统的钢制带轮而被广泛的推广应用，而铝合金带轮的低压铸造成型是一项新技术。压铸铝合金带轮能够更大程度的节省材料和减轻重量，所以本课题研究铝合金带轮的低压铸造技术对提高中国的汽车工业的快速发展具有重要的意义。1.4.2 课题的任务和内容本课题的主要任务是对Zl101A汽车带轮进行工艺设计、进行砂型制作和实验性浇注、浇注后铸件的组织观察、数值模拟和预测铸件的缺陷等，并进一步优化工艺设计，减少铸造工时，降低成本和提高生产效率。本文主要研究内容为：1）对Zl101A汽车带轮的铸造工艺参数进行设计，以及浇注系统、浇注工艺参数的选择；2）运用实验室所具有的现有的材料，用木模进行砂型、砂芯的制作，并用实验室的反重力设备将Zl101A融化并进行浇注；3）将浇注后的铸件进行切割、打磨、抛光制成样本，进行金相观察；4）应用View Cast模拟软件对铸件的充型凝固过程进行模拟计算，查看热节或缩孔、缩松、夹渣等缺陷的生成、分布情况；5）根据模拟结果对铸造工艺进行改进优化，以降低铸件中的缺陷。第2章 低压铸造工艺设计低压铸造所用的铸型，有金属型和非金属型两类。金属型多用于大批、大量生产的有色金属铸件，非金属铸型多用于单件小批量生产，如砂型，石墨型，陶瓷型和熔模型壳等都可用于低压铸造，而生产中采用较多的还是砂型。但低压铸造用砂型的造型材料的透气性和强度应比重力浇注时高，型腔中的气体，全靠排气道和砂粒孔隙排出。为充分利用低压铸造时液体金属在压力作用下自下而上地补缩铸件，在进行工艺设计时，应考虑使铸件远离浇口的部位先凝固，让浇口最后凝固，使铸件在凝固过程中通过浇口得到补缩，实现顺序凝固。常采用下述措施： 1) 浇口设在铸件的厚壁部位，而使薄壁部位远离浇口； 2) 用加工裕量调整铸件壁厚，以调节铸件的方向性凝固； 3) 改变铸件的冷却条件。 对于壁厚差大的铸件，用上述一般措施又难于得到顾序凝固的条件时，可采用一些特殊的办法，如在铸件厚壁处进行局部冷却，以实现顺序凝固。2.1低压铸造铸型工艺参数的选择带轮零件的三维实体见图2-1，根据该零件的结构特点，对该带轮铸件进行铸造工艺分析11可知：该带轮铝合金件属于中小型铝合金件，其结构相对比较复杂，壁厚分布比较均匀。确定带轮铸造方法为砂型铸造，选用石英砂、碱性酚醛树脂（占砂重3%）、固化剂(多元醇的羟酸酯，占砂重1%）。 图2-1 零件的三维实体图 2.1.1铸件凝固方式的选择铸件凝固方式的选择是铸型工艺参数确定的先导，因为只有在铸件的凝固方式确定之后，诸如浇注系统、分型面、加工余量等等才能随之相应确定下来。铸件凝固方式的选择与许多因素有关，诸如：铸件结构(形状、壁厚及其分布复杂程度)；铸型性质(导热系数、蓄热系数、壁厚)；铸造合金性质(结晶温度间隔、导热系数、收缩率)；铸造时的外界环境(铸造方法、压力、重力以及是否有强制冷却)等等。仅就铸件的结构而言，就是千变万化的，所以很难找出一个必然的唯一的原则和规律，况且有些铸件的正确成形方式也不是唯一的，因而凝固方式的选择在很大程度上取决于现场技术人员的专业水平，同时在一定程度上也依赖于铸造车间的设备物质条件。一般说来，有如下几条原则可供参考：1) 对于大型薄壁而且壁的空间分布无明显规律的壳体类铸件而言，在砂型铸造时，一般多采用同时凝固的方式。其原因在于:由于壁的空间分布不规律，因而很难依靠充型时液态金属的流程及时间差得到单向的温度梯度;砂型的导热系数小，根据文献11的分析可知，液态金属流过之后，砂型表面的温度梯度很小(长春第一汽车厂曾对CA488气缸盖在砂型铸造时砂型表面的温度梯度进行过实测。结果表明，包括冒口部分在内，整个砂型的温度基本一样)。在金属型铸造时，虽然由于流程和时差能造成较大的温度梯度，但因为铸件壁的空间分布不规律，因而其温度场的方向很难是单一的。所以，此时可以采用同时凝固的方式，也可以采用顺序凝固的方式，但大多数采用的是二者的复合。与此相反，对于壁厚大的铸件，采用砂型或金属型铸造时，一般采用顺序凝固的方式。因为这类铸件的收缩总量大，而且凝固时间长，有更多的被补缩的机会。对于壁的空间分布很有规律的大型薄壁壳体类铸件，可以采用顺序凝固的方式。其原因在于，铸件大，其液体金属的流程就长，时间差也大，因而造成的温度梯度大且方向单一。对于这种铸件，据文献12所述，最好的工艺方法是金属型覆砂造型，用覆砂层的厚度变化以及烘干时烟气的吸入方向来造成并强化温度梯度，以便順序凝固的实现。2）在导热系数较大的金属型内浇注导热系数小的合金时，由于可以造成较大的温度梯度，所以厚壁件易于实现顺序凝固。反之，在导热系数小的砂型内浇注导热系数大的合金时，由于造成的温度梯度小，一般薄壁件趋向于同时凝固(参看文献11)。3)对于壁厚不均匀，且薄厚部分相互交错分布的复杂铸件，一般采用顺序凝固和同时凝固相结合的方式。这种凝固方式的实现比较复杂，难度较大，这需要工艺设计人员对铸件的凝固规律有清楚的认识，并能确定相应的强化措施。 4)对于结晶温度范围大的合金，多采用同时凝固方式;对于结晶温度范围小的合金，宜采用顺序凝固方式。綜上所述，因为Zl101A汽车带轮的结构较为复杂，壁厚比较均匀，且采用砂型铸造，所以铸件凝固方式的选择是同时凝固。2.1.2浇注系统的选择其应遵循的原则：1) 应充分发挥浇注系统的补缩作用，为此应保证F升液管F横F内。2) 应尽量避免液态金属直接冲击型壁和型芯(尤其是导热系数大的部位)，以防止局部过热。3) 在生产较大的等壁厚铸件时，当金属型壁厚设计合理，并保证充填性的前提时，应将内浇道开设在铸件的短边的中部，以便造成高度上的单向温度梯度，从而有利于补缩的进行。此时，内浇道的开设应使充型的液态金属均匀地注入型腔，避免或减少横向液流，达到减小或消除水平方向的温度梯度。4) 当有多个内浇道与横浇道相连时，为了使各内浇道流量分配均匀，应根据具体的情况(铸件的结构形式，内浇道横浇道升液管相对位置，浇注速度，液态合金的粘度等等)来确定各个内浇道的截面积。一般说来，远离升液管的盲端及紧靠升液管的内浇道面积较小。5) 连接升液管与铸型的输液道的管壁应尽可能薄些，以减小液态金属在该处的热量损失，以有利于补缩的进行。 图2-2 带轮铸件浇注系统实体图所以根据以上原则，将Zl101A汽车带轮铸件的浇注系统设计成如图2-2的二种形式，在实验室进行实际浇注，以方便进行对比。 2.1.3浇注系统的选择根据浇注位置的确定的原则及铸件的结构，以及在确定分型面时须注意的几点：1) 分型面应该力求在一个平面上，尽量避免以阶梯或曲面分型。2) 水平分型的铸件，要力求选在铸件的最高部位。3) 尽量将铸件设置在同一半型中，或者将精度要求较高的部分设计在同一半型中，这样做，有利于减小合型错位所产生的铸件尺寸误差，以提高铸件的几何精度。4) 确定分型面的同时，应考虑到浇注系统的开设位置以及铸型的制造是否方便。选用的分型面如图2-3所示。根据零件尺寸轮廓大小，确定为两箱造型，不用造芯，一箱一件。图2-3 铸件浇注位置和分型面示意图2.1.4机械加工余量的选择在低压铸造中，铸件的机械加工余量一般可取0.54mm或更大一些。在考虑机械加工余量的取值大小时应注意以下一些因素：1) 加工表面的粗糙度要求越小时，所留的机械加工余量应越大。2) 尺寸精度要求越大时，对尺寸的加工余量应越大。3) 加工面的面积越大时，机械加工余量应越大，否则铸件可能产生的变形和在机械加工中安装不准确会造成加工余量不足。4) 加工表面距离机械加工基准面越远时，机械加工余量也应越大。否则铸件产生的变形和在机械加工中安装不准确也会造成加工余量的不足。5) 如果有砂芯，那么由砂芯形成的铸件表面部分的机械加工余量应大于由金属型（芯）直接形成的铸件表面部分的机械加工余量。6) 冒口或浇口和铸件连接的表面，其加工余量应该放大一些，因为当冒口或浇口截除不准确时可能因加工余量小而造成废品。7) 下表面、侧表面、上表面的加工余量应依次适当加大。综上所述，Zl101A汽车带轮在外圆表面和内孔内表面是加工面，所以应该在其加工面加2mm左右的机械加工余量。2.2 低压铸造浇注工艺参数的选择2.2.1升液速度的确定其中升液阶段的加压速度应使合金液平稳上升，升液速度一般控制在50 mm/s左右，所需加压速度为0.014 MPa/s，升液时间视充型压力而定。2.2.2 充型压力和充型速度的选择 一般根据帕斯卡原理来计算其充型压力值：P充=P= (1)式中，P充为充型压力，MPa；H为型腔顶部与坩埚中金属液面的距离，mm；为金属液重度(N/mm3)；为充型阻力系数，一般取1.21.5。充型速度是指充型过程中，金属液面在型腔中的平均上升速度，一般稍高于升液速度。控制不良会形成气孔和氧化夹渣，因此正确地控制加压速度是获得良好铸件的关键。充型速度无量纲计算公式： (2)式中，为金属液在铸型中的(最小允许)平均上升速度(沿铸件高度)，mm/s；为铸件高度，mm；为铸件壁厚，mm；浇为合金液的浇注温度，。 在浇注温度一定的情况下，铸件壁厚、结构基本决定了液体充型速度范围，在铸件高度与充型结束时液面距离不变的情况下，液体到达铸型顶部的压差亦是固定的，可以调节的只有充型速度。在满足铸型充满的情况下，充型速度选择下限为好，这样可以避免充气时液体产生喷射飞溅、紊乱流动及造成氧化夹渣等铸造缺陷。一般情况下选择充型速度考虑如下因素：铸件高度、壁厚、复杂程度、铸型用材料、合金温度等，通常充型速度选择2545mm/s，型腔复杂、壁厚35mm时可选择大于45mm/s充型速度。2.2.3充型增压值的选择为了保证充型过程中液面不降落始终停留在铸型顶部，在原来压差的基础上再增加一定数值的压力，称充型增压值。此时的增压值一般在0.0040.008MPa。增加的压力一是保证液面不降落，二是铸件在一较小的压力下结壳，可避免铸型材料是砂型时在保压增压阶段铸件表面过于粗糙。充型增压保压时间可保持28s，薄壁铸件取下限，厚大铸件取上限，以便有足够的时间在铸件表面形成硬壳。2.2.4保压增压值的选择在充型增压值基础上再增加0.0060.03MPa，增加的压力主要是保证铸件组织致密，减少疏松、缩孔缺陷，从而在铸件不同壁厚处获得比较接近的力学性能，而且能有效阻止合金中气体的析出。14据资料介绍，加压凝固能够强化铝合金结晶期间补缩能力，提高铸件致密度。铸件的密度随着凝固时所施加压力的提高而增大。如压力选择过低将使铸件的疏散缺陷增多，故保压增压值数值的选择在低压铸造生产中是非常重要的。2.2.5保压时间的确定保压时间由合金温度、铸件结构等因素决定。保压时间过短，影响铸件成型，造成铸件中空报废；保压时间过长，升液管内的铝液与升液管冻结在一起，无法进行下一件浇注，且清理困难。在这里要特别注意，升液管烘烤温度取500以上为好。因为温度过低，升液管将降低合金液温度，更容易造成升液保压后升液管内的铝液冻结。升液管直径取90120mm为宜，其截面积要大于与升液管相连浇道面积50以上(指单个浇道面积)，既有利于铸件补缩，又可保证升液管在整个铸型中最后凝固。在保压结束卸压后，升液管内铝液靠重力自动流回坩埚，进行下一件浇注。2.2.6浇注温度的确定在低压铸造中，确定浇注的原则与普通浇注的情况一致，即在保证铸件成型的先决条件下